CN109888946A - 一种24相单绕组磁悬浮开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁悬浮开关磁阻电机领域，特别是涉及一种24相单绕组磁悬浮开关磁阻电机。该电机由定子、气隙和转子三部分组成；所述定子设有24个定子齿，每个定子齿饶有一相绕组，每相绕组独立控制且所有绕组匝数相等，所述绕组按照绕组电流产生的磁场方向为NSSN的规律分布；所述转子包括三个转矩齿、三个悬浮力齿和转子轭，三个转矩齿在空间上两两相差120^o，三个悬浮力齿在空间上两两相差120^o，所述转矩齿与悬浮力齿等间隔交叉分布；每个转矩齿沿转子旋转的正方向依次设有前齿、中齿与后齿；所述气隙位于定子与转子之间。本发明从结构上解除了转矩与悬浮力的控制耦合，降低了电机的控制难度，具有输出转矩大、径向承载能力强、功率损耗低等优点。

Description

一种24相单绕组磁悬浮开关磁阻电机

技术领域

本发明涉及磁悬浮开关磁阻电机领域，特别是涉及一种24相单绕组磁悬浮开关磁阻电机。

背景技术

磁悬浮开关磁阻电机是将磁悬浮技术应用于开关磁阻电机中，通过电磁力使转子实现悬浮，消除了机械轴承所带来的摩擦问题，目前已被广泛应用于航空航天和医疗卫生等领域。磁悬浮开关磁阻电机以转矩和悬浮力为控制对象，但是由于其自身的运行原理，会出现转矩与悬浮力的控制耦问题，严重影响电机性能，增加了控制难度；为简化控制算法的设计，现有磁悬浮开关磁阻电机多采用双绕组结构，限制了实际嵌入铁心槽中的线圈匝数，降低了电机实际输出转矩及悬浮力；同时，磁悬浮开关磁阻电机常多为长路励磁，增加了电机的功率损耗。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种从结构上解除转矩与悬浮力的控制耦合、控制难度低、功率密度高的24相单绕组磁悬浮开关磁阻电机，技术方案是：一种24相单绕组磁悬浮开关磁阻电机，包括定子、气隙和转子三部分；所述定子设有24个定子齿，每个定子齿饶有一相绕组，每相绕组独立控制且所有绕组匝数相等，所述绕组按照绕组电流产生的磁场方向为NSSN的规律分布；所述转子包括转矩齿、悬浮力齿与转子轭；所述转矩齿有三个，三个转矩齿在空间上两两相差120^o；所述悬浮力齿有三个，三个悬浮力齿在空间上两两相差120^o；所述转矩齿与悬浮力齿等间隔交叉分布；所述转子轭设有空腔；每个转矩齿沿转子旋转的正方向依次设有前齿、中齿与后齿；所述气隙位于定子与转子之间。

本发明的技术方案还有：该电机步距角为7.5^o，所述定子齿极弧系数为0.5；所述前齿极弧等于定子齿极弧；所述中齿极弧等于2倍定子齿极弧；由于后齿极弧小于中齿极弧，在旋转的第二阶段，后齿与定子齿完全对齐时，会导致后齿磁密大于中齿磁密，进而产生反向干扰转矩，且反向干扰转矩随后齿极弧的增大而减小，为降低反向干扰转矩的影响，令后齿极弧等于1.5倍定子齿极弧；所述前齿与中齿之间的极弧等于定子齿极弧；所述中齿与后齿之间的极弧等于定子齿极弧；所述悬浮力齿极弧等于6.5倍定子齿极弧，使通电绕组所在定子齿与悬浮力齿的正对面积保持不变的同时，减小因悬浮力齿中磁密分布不对称所产生的干扰转矩。

本发明的技术方案还有：在电机工作的任意时刻，都有12相绕组导通，其中，与转矩齿正对的6相通电绕组用来调节转矩的大小，与悬浮力齿正对的6相通电绕组用来调节悬浮力的大小与方向；用来调节转矩大小的6相绕组的电流大小相等，用来调节悬浮力大小与方向的6相绕组中，相邻两相绕组的电流大小相等。

本发明的技术方案还有：该电机的旋转分为第一阶段与第二阶段，两个阶段之间为连续状态；在第一阶段，产生转矩的绕组为与每个前齿最邻近的两相绕组，此时绕组产生的磁力线经定子齿、气隙、中齿、前齿、定子齿形成闭合回路，产生作用于前齿与中齿的电磁转矩，驱动转子旋转7.5^o，使前齿与定子齿完全对齐；进入第二阶段时，产生转矩的绕组进行换相，与前齿正对的绕组关断，位于后齿与中齿之间的绕组导通，与中齿正对的绕组保持导通不变，此时绕组产生的磁力线经定子齿、气隙、中齿、后齿、定子齿形成闭合回路，在第二阶段，中齿与定子齿的正对面积保持不变，通电绕组只对后齿产生转矩，驱动转子旋转7.5^o，使后齿与定子齿完全对齐；第二阶段结束后重新进入第一阶段，经过第一阶段与第二阶段的交替进行，实现转子的连续旋转；通电绕组在第一阶段产生的转矩大小约为第二阶段的两倍。

本发明的技术方案还有：电机工作时，所述转矩齿上受到电磁转矩与悬浮力的作用；当转子不存在偏心位移时，三个转矩齿上所受的转矩大小相等，转子受到的转矩为三个转矩齿上所受转矩之和；转子不存在偏心位移时，三个转矩齿所受到的悬浮力大小相等、角度上两两相差120^o，且转矩齿所受到的悬浮力大小和方向都随转子位置角的变化而变化。

本发明的技术方案还有：三个悬浮力齿所受到的悬浮力在角度上两两相差120^o，当转子不存在偏心位移时，三个悬浮力齿所受到的悬浮力大小相等；转子不存在偏心位移时，悬浮力齿与通电绕组所在定子齿的正对面积始终保持不变，因此在一个步距角内，悬浮力齿所受悬浮力的大小和方向与转子位置角无关，是稳定的悬浮力；通过调节悬浮力齿所正对通电绕组的电流大小，可以获得任意大小和方向的悬浮力。

本发明的技术方案还有：在电机工作的任意时刻，转子受到的悬浮力为三个转矩齿上所受悬浮力与三个悬浮力齿上所受悬浮力的合力，当转子不存在偏心位移时，悬浮力合力为0；当转子发生偏心位移时，根据转子得位置角与位移量，调节悬浮力齿所正对的通电绕组的电流大小，使转子回到无偏心位移状态。

本发明的技术方案还有：两相相邻的通电绕组产生的磁力线形成一个闭合回路，消除了非相邻通电绕组间的磁力线交链，实现了对每个转矩齿和每个悬浮力齿的独立控制，从而解除了转矩与悬浮力的控制耦合。

本发明的有益技术效果是：从结构上解除了转矩与悬浮力的控制耦合问题，降低了电机的控制难度；采用短路励磁，降低了功率损耗；旋转的第一阶段有6相绕组产生有效转矩，旋转的第二阶段有3相绕组产生有效转矩，平均输出转矩大；导通的12相绕组都能够为转子提供悬浮力，径向承载能力强；悬浮力齿与通电绕组所在定子齿的正对面积始终保持不变，进行悬浮力调节时，不影响转矩输出；采用单绕组结构，减小了电机体积，提高了功率密度；转子轭内部设有空腔，减小了转子重量，降低了功率损耗。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是本发明一个实施例的绕组示意图。

图3是本发明一个实施例的导通绕组示意图。

图4是本发明一个实施例的第一阶段转矩产生原理。

图5是本发明一个实施例的第二阶段转矩产生原理。

图6是本发明一个实施例的悬浮力调节原理。

图7是本发明一个实施例的轴向剖视图。

图中：1为定子，11为定子齿，12为绕组，2为气隙，3为转子，31为转矩齿，311为前齿，312为中齿，313为后齿，32为悬浮力齿，33为转子轭，34为空腔。

具体实施方式

如图1所示，本发明由定子1、气隙2和转子3三部分组成；所述定子1设有24个定子齿11，每个定子齿11饶有一相绕组12，每相绕组12独立控制且所有绕组12匝数相等，所述绕组12按照绕组12电流产生的磁场方向为NSSN的规律分布；所述转子3包括转矩齿31、悬浮力齿32与转子轭33；所述转矩齿31有三个，三个转矩齿31在空间上两两相差120^o；所述悬浮力齿32有三个，三个悬浮力齿32在空间上两两相差120^o；所述转矩齿31与悬浮力齿32等间隔交叉分布；所述转子轭33设有空腔34；每个转矩齿31沿转子3旋转的正方向依次设有前齿311、中齿312与后齿313；所述气隙2位于定子1与转子3之间。

所述定子齿11极弧系数为0.5；所述前齿311极弧等于定子齿11极弧；中齿312极弧等于2倍定子齿11极弧；由于后齿313极弧小于中齿312极弧，在旋转的第二阶段，后齿313与定子齿11完全对齐时，会导致后齿313磁密大于中齿312磁密，进而产生反向干扰转矩，且反向干扰转矩随后齿313极弧的增大而减小，为降低反向干扰转矩的影响，令后齿313极弧等于1.5倍定子齿11极弧；所述前齿311与中齿312之间的极弧等于定子齿11极弧，中齿312与后齿313之间的极弧等于定子齿11极弧；所述悬浮力齿32极弧等于6.5倍定子齿11极弧，以在保证通电绕组12所在定子齿11与悬浮力齿32的正对面积不变的同时，减小因悬浮力齿32中磁密分布不对称所产生的干扰转矩。

由定子1与转子3结构可知，该电机采用短路励磁，相邻两相通电绕组12产生的磁力线构成一个闭合回路，电机的步距角为7.5^o；从图3可以看出，在电机工作的任意时刻，都有12相绕组12导通，其中，与转矩齿31正对的6相通电绕组12用来调节转矩的大小，与悬浮力齿32正对的6相通电绕组12用来调节悬浮力的大小与方向。

旋转驱动的实现：转子3的旋转分为第一阶段与第二阶段，两个阶段之间为连续状态，定义逆时针方向为转子3旋转的正方向；如图4所示，当前齿311与定子齿11的交叠面积为0时，进入第一阶段，此时用于产生转矩的绕组12为B相、C相、J相、K相、R相、S相，由“磁阻最小原理”可知，用于产生转矩的6相绕组12中，相邻两相产生的磁力线经定子齿11、气隙2、中齿312、前齿311、气隙2、定子齿11形成一个闭合回路，产生作用于中齿312与前齿311的电磁转矩，驱动转子3逆时针旋转7.5^o，到达图5所示位置；当转子3位于图5所示位置，即前齿311与定子齿11完全对齐时进入第二阶段，此时用于产生转矩的绕组12为A相、B相、I相、J相、Q相、R相，由“磁阻最小原理”可知，用于产生转矩的6相绕组12中，相邻两相产生的磁力线经定子齿11、气隙2、中齿312、后齿313、定子齿11形成一个闭合回路，由于在第二阶段时，中齿312与定子齿11的正对面积不发生变化，通电绕组12只对后齿313产生电磁转矩，再次驱动转子3逆时针旋转7.5^o；通过第一阶段与第二阶段的交替进行，实现转子3的连续旋转；第一阶段的转矩输出大小约为第二阶段的两倍；通过改变转矩齿31所正对通电绕组12的电流大小对输出转矩进行调节。

转子稳定悬浮的实现：用于进行悬浮力调节的绕组12有6相，在图6所示位置，用于调节悬浮力的绕组12分别为E相、F相、M相、N相、U相、V相，由“磁阻最小原理”可知，用于调节悬浮力的6相绕组12中，相邻两相产生的磁力线经定子齿11、气隙2、悬浮力齿32、气隙2、定子齿11形成一个闭合回路，由于悬浮力齿32与通电绕组12所在定子齿11的正对面积保持不变，因此通电绕组12对悬浮力齿32只产生悬浮力；用于调节悬浮力的绕组12每15^o进行一次换相，换相点与转子3旋转的第二阶段到第一阶段时的换相点相同；通过改变悬浮力齿32所正对通电绕组12的电流大小来对转子3所受悬浮力的大小和方向进行调节，以使转子3保持稳定悬浮。

解耦原理：在转子3上划分出转矩齿31与悬浮力齿32，并根据耦合产生原理对转矩齿31与悬浮力齿32进行结构改进，首先，增大了悬浮力齿32的极弧，使通电绕组12对悬浮力齿32只产生悬浮力不产生转矩；其次，通过短磁路励磁，使得相邻两相绕组12产生的磁力线形成一个闭合回路，消除了非相邻绕组12间的磁力线交链，实现了对每个转矩齿31和每个悬浮力齿32的独立控制，进而实现了对转矩与悬浮力的解耦控制。

Claims (5)

1.一种24相单绕组磁悬浮开关磁阻电机，包括定子（1）、气隙（2）和转子（3）三部分；所述定子（1）设有24个定子齿（11），每个定子齿（11）饶有一相绕组（12），每相绕组（12）独立控制且所有绕组（12）匝数相等，所述绕组（12）按照绕组（12）电流产生的磁场方向为NSSN的规律分布；所述转子（3）包括转矩齿（31）、悬浮力齿（32）与转子轭（33）；所述转矩齿（31）有三个，三个转矩齿（31）在空间上两两相差120^o；所述悬浮力齿（32）有三个，三个悬浮力齿（32）在空间上两两相差120^o；所述转矩齿（31）与悬浮力齿（32）等间隔交叉分布；所述转子轭（33）设有空腔（34）；每个转矩齿（31）沿转子（3）旋转的正方向依次设有前齿（311）、中齿（312）与后齿（313）；所述气隙（2）位于定子（1）与转子（3）之间。

2.根据权利要求1所述的一种24相单绕组磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：所述前齿（311）极弧等于定子齿（11）极弧，所述中齿（312）极弧等于2倍定子齿（11）极弧，所述后齿（313）极弧等于1.5倍定子齿（11）极弧；所述前齿（311）与中齿（312）之间的空隙极弧等于定子齿（11）极弧；所述中齿（312）与后齿（313）之间的空隙极弧等于定子齿（11）极弧；所述悬浮力齿（32）极弧等于6.5倍定子齿（11）极弧。

3.根据权利要求1所述的一种24相单绕组磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：电机采用短路励磁，相邻两相通电绕组（12）产生的磁力线构成一个闭合回路，在电机工作的任意时刻，都有12相绕组（12）导通，其中，与转矩齿（31）正对的6相通电绕组（12）用来调节转矩的大小，与悬浮力齿（32）正对的6相通电绕组（12）用来调节悬浮力的大小与方向；用来调节转矩大小的6相绕组（12）电流大小相等，用来调节悬浮力大小与方向的6相绕组（12）中，相邻两相绕组（12）的电流大小相等。

4.根据权利要求1所述的一种24相单绕组磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：转子（3）的旋转分为第一阶段与第二阶段，两个阶段之间为连续状态；在第一阶段，通电绕组（12）产生的转矩作用于前齿（311）与中齿（312），驱动转子（3）旋转7.5^o，使前齿（311）与定子齿（11）完全对齐；进入第二阶段时，用于产生转矩的绕组（12）进行换相，在第二阶段，中齿（312）与定子齿（11）的正对面积保持不变，通电绕组（12）只对后齿（313）产生转矩，驱动转子（3）旋转7.5^o，使后齿（313）与定子齿（11）完全对齐；经过第一阶段与第二阶段的交替进行，实现转子（3）的连续旋转。

5.根据权利要求1所述的一种24相单绕组磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：电机工作时，与悬浮力齿（32）正对的通电绕组（12）所在定子齿（11）与悬浮力齿（32）的正对面积保持不变，因此悬浮力齿（32）只受到悬浮力的作用；改变悬浮力齿（32）所正对通电绕组（12）的电流大小，可获得任意大小与方向的悬浮力。